De natuurkundigen Matthew Foster en Seth Davis van Rice University willen een vervelende kwantumpuzzel vanuit een geheel nieuw perspectief bekijken. Ze hebben alleen het juiste uitkijkpunt nodig en een plaats die kouder is dan de verre ruimte.

"Er is een proces in sterk op elkaar inwerkende fysica waarbij fundamentele deeltjes, zoals elektronen, kunnen samenkomen en zich gedragen alsof ze een fractie van een elektron zijn, " zei Davy, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Foster. "Het heet fractionering. Het is een heel exotisch, fundamenteel proces dat zich in theorie op veel plaatsen voordoet. Het kan iets te maken hebben met supergeleiding bij hoge temperaturen, en het kan nuttig zijn voor het bouwen van kwantumcomputers. Maar het is heel moeilijk te begrijpen en nog moeilijker te meten."

In een recent artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , Foster en Davis, zowel theoretisch fysici, stelde een experiment voor om fractionering niet in elektronen te meten, maar in atomen die zo koud zijn dat ze dezelfde kwantumregels volgen die dicteren hoe elektronen zich gedragen in kwantummaterialen, een groeiende klasse van materialen met exotische elektronische en fysieke eigenschappen waar overheden en de industrie naar op zoek zijn voor computers en elektronische apparaten van de volgende generatie.

Quantummaterialen omvatten supergeleiders op hoge temperatuur, een van de meest raadselachtige mysteries in de natuurkunde, en materialen die topologische fasen vertonen, die zijn ontdekkers in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde opleverde. Dit laatste is de enige plaats waar natuurkundigen fractionalisatie ondubbelzinnig hebben gemeten, in een exotische elektronische toestand die het fractionele quantum Hall-effect wordt genoemd. In deze staat, platte tweedimensionale materialen geleiden elektriciteit alleen langs hun eendimensionale randen.

"Dat is een 2D-voorbeeld, " zei Foster, assistent-professor natuurkunde en sterrenkunde bij Rice. "En het is duidelijk dat daar fractionering plaatsvindt, want als je de geleiding van deze randtoestanden meet, gedragen ze zich alsof ze zijn gemaakt van deeltjes die zich gedragen als een derde van een elektron.

"Er zijn geen echte deeltjes die een derde van de elektrische lading dragen, " zei hij. "Het is gewoon het effect van alle elektronen die samen op zo'n manier bewegen dat als je een lokale excitatie creëert, het zal zich gedragen als een elektron met een derde van een lading."

Foster en Davis zeiden dat de belangrijkste motivatie voor het beschrijven van hun ultrakoude atoomtest was om fractionering te kunnen waarnemen in een systeem dat heel anders is dan het fractionele quantum Hall-voorbeeld.

"Waar we naar streven, is deze fysica op een ondubbelzinnige manier in een andere context te zien, " zei Foster, een lid van Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

Hun voorgestelde experiment vereist dat laserkoelende atomen fungeren als stand-ins voor elektronen. Bij dergelijke experimenten lasers verzetten zich tegen de beweging van atomen, ze geleidelijk vertragen tot koudere en koudere temperaturen. De koude atomen worden gevangen door andere lasers die optische golfgeleiders vormen, eendimensionale kanalen waar atomen naar links of rechts kunnen bewegen, maar niet om elkaar heen kunnen gaan. Het kwantumgedrag van de atomen in deze eendimensionale gidsen bootst het gedrag van elektronen in 1D-draden na.

"Alle afzonderlijke elementen van het experiment zijn ontwikkeld, maar we geloven niet dat ze zijn samengevoegd in een enkele experimentele opstelling, " zei Foster. "Daar hebben we de hulp nodig van experimentatoren die experts zijn in laserkoeling."

Om fractionering in een ultrakoud systeem waar te nemen, Foster en Davis stellen voor om een ​​reeks parallelle 1D-golfgeleiders te maken die zich allemaal in hetzelfde tweedimensionale vlak bevinden. Een paar extra atomen zouden de 1D-gidsen nabij het midden van het experiment bevolken.

"Dus we beginnen met de 1D-draden, ' of gidsen, en de initiële dichtheid in het midden, en dan laten we wat lasers vallen en laten de atomen interageren tussen de draden in een soort 2D-gaas, " zei Foster. "We kunnen het 1D-systeem heel nauwkeurig beschrijven, waar sterke interacties ervoor zorgen dat de atomen zich op een gecorreleerde manier gedragen. Omdat het hele systeem kwantummechanisch en coherent is, die correlaties zouden op het 2D-systeem moeten worden afgedrukt.

"Onze sonde laat die extra bult van dichtheid los en kijkt wat het doet, " zei hij. "Als de atomen in de 1D-gidsen geen interactie hebben, dan spreidt de bult zich gewoon tussen de draden uit. Maar, als er aanvankelijke fractionering was vanwege gecorreleerde effecten in de draden, wat we met vertrouwen kunnen berekenen, is dat de dichtheid iets heel anders zal doen. Het gaat de andere kant op, door de draden vliegen."

Foster zei dat hij geïnteresseerd is in het bespreken van de haalbaarheid van de test met ultrakoude atomaire experimentatoren.

"We weten dat het jaren kan duren om enkele van de experimentele opstellingen voor dit soort experimenten te bouwen en te perfectioneren, ' zei Foster. 'Als theoretici, we kennen de ingrediënten die we nodig hebben, maar we weten niet welke het meest uitdagend zullen zijn om te implementeren of of het misschien gemakkelijker is om sommige instellingen aan te passen in plaats van andere. Daar hebben we de hulp van onze experimentele collega's nodig."